水冷壁的设计.doc

目录
1 绪论 2
1.1锅炉发展史 2
1.2锅炉设计 3
1.3 煤粉锅炉 3
1.4水冷壁 4
1.5 本设计主要特点 5
1.6本设计运用原理和主要步骤 5
2 计算说明书 6
2.1锅炉总体简介 6
2.2炉膛简图 7
2.3锅炉设计条件及性能参数 8
2.4燃煤特性 8
2.5煤的元素分析数据校核和煤种判别 9
2.5.1元素校核 9
2.6煤种判别 10
2.6.1煤种判别 10
2.6.2折算成分计算 10
2.7燃烧产物计算 11
2.7.1理论空气量及理论烟气容积 11
2.8热平衡及燃料消耗量计算 12
2.9炉膛设计和热力计算 16
2.9.1炉膛结构设计 16
2.9.2炉膛热力计算 17
2.10水冷壁的选择 21
2.10.1水冷壁的布置 21
2.10.2水冷壁的侧墙出口悬吊图 22
2.10.3水冷壁悬吊装置的强度计算及校核 22
结束语 24
附表2-10：炉膛烟气温焓表 26
附表2-11：蒸汽压力—饱和温度对照表 26
参考文献 27

1 绪论
自改革开放以来，我国电力行业发展迅猛，电源结构不断调整，电网建设不断加强，电力环保取得显著成绩，电力装备技术不断提高，交直流输电系统控制保护设备的技术水平已居于世界领先行列。进入21世纪以来，电力需求更加旺盛，发展潜力巨大，电力建设任务仍十分艰巨，我国的电力工业发展遇到了前所未有的机遇，总体呈现出快速发展的态势。随着新能源的开发与利用及高新经济技术的需求，各种能源的利用率正不断地提高。如何节约能源、利用能源已经成为当今社会的主题。锅炉的出现和发展迄今已有二百余年的历史。期间，从低级到高级，有简单到复杂，随着生产力的发展和对锅炉容量、参数要求的不断提高，锅炉型式和锅炉技术得到了迅速的发展。亚临界汽包锅炉在我国的大型电站中有着广泛的应用，炉膛受热面普遍采用膜式水冷壁。
1.1锅炉发展史
锅炉从开始应用至今已有300多年的历史。它是从小型、中型到大型，从微压、低压到中压，从铆接结构到焊接结构，从手工操作到机械化、自动化等。主要是沿着增加供热能力、提高压力、降低能耗、减轻劳动强度、节省钢材以及改善污染的方向发展的。
早在17 世纪60年代，第一台铜制球形锅炉诞生，其压力仅9.81至19.62kPa。此后，为满足生产和生活上的需要，锅炉类型与结构也不断创新，到目前为止出现了锅壳式的火管锅炉和水管锅炉；自然循环锅炉和强制循环锅炉以及水、火管混合型锅炉等等。锅壳式锅炉的特征是锅炉的主要部件都放在锅筒内，外表看上去仅是一个圆筒，这种锅炉又分为立式锅壳锅炉和卧式锅壳锅炉两种。绝大部分是火管锅炉，目前普遍使用的快装锅炉是在卧式外燃回火管锅炉的基础上，增加了水冷壁辐射受热面和经济器等尾部受热面，成为一种水、火管混合式锅炉。
随着蒸汽动力的发展，要求锅炉产量和参数不断提高，火管锅炉不能满足这种要求，水管锅炉便应运而生。水管锅炉的特征是把主要受热面的管子布置在锅筒的外面，另用耐火砖砌成炉膛，在炉膛中燃烧的火焰冲刷管子的外壁，水在管中流动，并在上下锅筒之间自然循环。最初生产的水管锅炉是横直水管，水管两端与大集箱连接，由于整块的方形集箱强度要求较高，后将整集箱改为分集箱。这样强度得到了保证，但集箱和集箱上的手孔加工复杂，而且精度要求高，金属消耗量也比较大。另外，横水管管内汽水混合物容易分层流动，对水循环不利。后来将水管垂直布置，方形集箱都由锅筒和圆形集箱代替，而且锅筒的数目逐渐减少。水管锅炉用弯水管作为受热面，摆脱了锅筒水容积空间的限制，大大增加了锅炉的自由度，能充分适应单台锅炉容量增大、蒸汽参数提高的要求[3] 。
锅炉的炉膛或燃烧室也在不断地改进。老式的燃烧设备是固定炉排手工加煤，现在小型立式锅炉中还有采用的。随着锅炉容量的不断增大，耗煤量相应增多，司炉劳动强度增加，同时煤在锅炉中不完全燃烧情况日益严重，因而出现了机械化和半机械化燃烧设备。由于城市现代化建设和环保的要求，近年来燃油或燃气锅炉日益增多，与之配套的是全自动的燃烧控制系统。
锅炉的辅助设备也在不断改进。为了提高热效率，改善燃烧工况，进一步利用炉膛辐射热、提高蒸发量，在炉膛内布置了水冷壁，在尾部出现了经济器（或称省煤器）和空气预热器等受热面。受热面的管材品种也不断增加，如：光管、螺纹管、鳍片管、肋片管和钉刺管等，以增大受热面提高产热量。
由于焊接技术的发展，锅炉制造方面，过去所采用的铆接工艺已逐步由焊接工艺所取代，这样不仅提高了锅炉的质量，又节约了钢材。
由于水管锅炉对水质要求高，锅炉给水也由原水逐步改进为软化水，为了避免锅炉的腐蚀还需采用除氧水。水处理设备和管理日趋完善。
随着现代工农业的迅猛发展，环境质量不断恶化，对社会环境保护要求提高了，锅炉消烟除尘也从无到有并逐步升级，烟气的脱硫脱硝技术正日趋成熟。
由于仪表工业和计算机技术日新月异的发展，自动化仪表以及元器件的先进性、可靠性不断提高，DCS的广泛应用，使锅炉运行所需的自动化控制装置越来越受到设计管理人员的青睐。
总之，近年来锅炉的发展十分迅速，社会的要求也逐年提高，锅炉技术和管理人员需要全面掌握锅炉有关技术和知识，并不断更新、充实，以实现锅炉的安全经济运行[5] 。
1.2锅炉设计
电站锅炉，通俗来讲就是电厂用来发电的锅炉。一般容量较大，当前我国的主力机组为300MW—600MW。
电站锅炉主要有两类：煤粉炉和循环流化床锅炉。
循环流化床锅炉（简称CFB)，其燃烧机理是把固态的燃料流体化，使它具有液体的流动性质促成燃烧。可以加石灰或煤矸石除硫，比较环保。循环流化床锅炉燃烧的是煤颗粒对锅炉的磨损比较严重，维修费用一般都挺高。
电站煤粉炉，只是把煤磨细成煤粉，然后用空气吹入炉膛燃烧。燃烧的是粉末对锅炉磨损较小，比循环流化床锅炉好控制，给锅炉加压或着降压的时候它的反应时间比循环流化床快。
电站锅炉的“水冷壁”、“过热器管”、“再热器管”、“省煤器管”的高温腐蚀和磨损，是造成管道泄露的主要原因，也是常见的技术问题，它给电厂的安全运行带来很大威胁，常常导致事故的发生。电厂简称其为电站锅炉“四管”。
燃煤锅炉是指燃料燃烧的煤，煤炭热量经转化后，产生蒸汽或者变成热水，但并不是所有的热量全部有效转化，有一部分无工消耗，这样就存在效率问题，一般大型的锅炉效率高些，60%—80%之间[6] 。
1.3 煤粉锅炉
对煤这种固体燃料来说，在锅炉容量较小（在我国，一般为10kg/s 以下的锅炉）时多采用层燃方式，即将煤块（大小小于40mm）放在炉排上成层地燃烧，而对于电站锅炉，由于容量大，则把煤磨成细粉进行悬浮燃烧。燃煤的室燃炉即煤粉炉（室燃也叫悬浮燃烧，气体及液体燃料都采用这种燃烧方式）。煤粉炉是我国电厂生产的主要锅炉型式。
悬浮燃烧就是将煤磨成细粉（煤粉颗粒多小于100um），然后由空气送入炉膛中在悬浮状态（煤粉运动速度与炉膛中气流速度基本相同，煤粉在炉膛中的停留时间约1—2s）下燃烧。
细小的煤粉颗粒进入炉膛后，在高温炉内火焰和烟气的加热下，把水分蒸发掉，然后随着温度升高，煤粉中挥发分析出并燃烧，直至煤粒变成高温的焦炭颗粒，最后焦炭燃烬。
由于煤粉需要空气携带进入炉膛，点燃空气和煤粉混合物比单独点燃煤粉需要更多的热量。空气越多，煤粉气流越难点燃。所以为更快地使煤粉气流燃烧，总是不把煤粉燃烬所需的空气会与煤粉混合，携带煤粉进入炉膛的只有一部分空气，这部分空气就称一次风。其余空气以二次风、三次风的形式进入炉膛。煤粉气流中一次风量只要能将煤粉析出的挥发分燃完即可，析出挥发分的焦炭颗粒处于高温下，由二次风提供氧气燃烬。
悬浮燃烧（煤粉炉）的主要燃烧设备有燃烧器和适合煤粉悬浮燃烧的炉膛（燃烧室），其辅助设备有制粉系统[7] 。
煤粉燃烧器的基本作用是保证煤粉及时稳定的点燃并组织炉膛内火焰的燃烧。煤粉气流由燃烧器进入炉膛，其着火过程、炉膛内空气动力和燃烧工况由燃烧器的结构和燃烧器的布置决定。煤粉燃烧器按其工作原理可分为两大类：旋流燃烧器和直流燃烧器。
炉膛为煤粉的充分燃烧提供了足够的空间，炉膛内安装有大量水冷壁等受热面，煤粉燃烧后产生的烟气与受热面之间换热而得到冷却。
虽然煤粉炉要求煤粉颗粒直径在100um 以下，但要燃烬却需要一定的时间，而烟气一旦出了炉膛，温度很快下降，如果煤粉颗粒在炉膛内没有燃烬，一旦出了炉膛而进入对流受热面，就不可能再充分燃烧了。因此必须保证煤粉在炉膛内有足够的停留时间[8] 。
1.4水冷壁
水冷壁是蒸发设备中唯一的受热面，它是由连续排列的管子组成的辐射传热平面，紧贴炉墙形成炉膛周壁。大容量的锅炉有的将部分水冷壁布置在炉膛中间，两面分别吸收烟气的辐射热，形成所谓的双面曝光水冷壁。水冷壁管进口由联箱连接，出口可以由联箱连接再通过导气管接于汽包。炉膛每侧水冷壁的进出口联箱分成数个，其个数由炉膛宽度和深度决定，每个联箱与其连接的水冷壁管组成一个水冷壁屏。
而水冷壁是锅炉的主要受热部分，它由数排钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周。它的内部，为流动的水或蒸汽，外界接受锅炉炉膛的火焰的热量。其中锅炉炉膛内燃烧中心的温度可高达1500～1600度。水冷壁最初设计时，目的并不是受热，而是为了冷却炉膛使之不受高温破坏。后来，由于其良好的热交换功能，逐渐取代汽包成为锅炉主要受热部分。水冷壁的作用是吸收炉膛中高温火焰或烟气的辐射热量，在管内产生蒸汽或热水，并降低炉墙温度，保护炉墙。在大容量锅炉中，炉内火焰温度很高，热辐射的强度很大。工作环境特别恶劣。
水冷壁的主要作用是：
（1）吸收炉内辐射热，将水加热成饱和蒸汽；
（2）保护炉墙，简化炉墙结构，减轻炉墙重量，这主要是由于水冷壁吸收炉内辐射热，使炉墙温度降低的缘故；
（3）吸收炉内热量，把烟气冷却到炉膛出口所允许的温度，这对减轻炉内结渣，防止炉膛出口结渣都是有利的；
（4）水冷壁在炉内高温下吸收辐射热，传热效果好，故能降低钢材消耗量及锅炉造价。
锅炉中有４０%～５０%甚至更多的热量由水冷壁所吸收。现代的水管锅炉均以水冷壁作为锅炉中最主要的蒸发受热面[9] 。
1.5 本设计主要特点
1、讨论分析了目前我国300MW煤粉锅炉的发展状况、特点和问题；
2、完成一组涉及水冷壁的炉膛热力计算；
3、进行了水冷壁的结构、布置形式及吊装的设计；
4、运用数学建模的方法，画出锅炉简图和水冷壁悬吊简图。(本设计不进行结构尺寸几何大小计算，故图中有些地方无法给出具体数值)
1.6 本设计运用原理和主要步骤
本设计主要运用《工程燃烧学》《锅炉原理》等书刊资料所涉及的知识，结合实际情形，逐步推导进而完成一系列与水冷壁有关的计算。因为水冷壁是主锅炉的副设备，所以要设计水冷壁必须要算锅炉受热情况。与锅炉受热情况有关的分析很多，但主要还是由燃煤特性决定的。所以，利用反推法来设计水冷壁。主要步骤如下：
1、确定一组锅炉参数(表2-1)和燃煤特性(表2-2)。
2、运用《工程燃烧学》所学知识计算燃煤发热值等有关下一步数值的运算。
3、使用第二步所得数据进行炉膛结构设计和炉膛热力计算。
4、根据第三步算得结果选取水冷壁。
5、综合上述结果进行水冷壁的结构、布置形式及吊装的设计。
6、在结束语部分进行总结，提出问题，展望未来发展形势。

2 计算说明书
2.1锅炉总体简介
本锅炉为单炉膛四角布置的直流式摆动燃烧器，切向燃烧，制粉系统为一次风机正压直吹系统配3台双进双出磨煤机每角燃烧器分为6层一次风喷口燃烧器可上下摆动最大摆角为30°；2台磨煤机投运即可带BRL负荷（锅炉额定负荷）。
锅炉采用17.3mm炉膛断面通过采用水平浓淡燃烧器，较高的燃尽高度等措施保证煤粉的及时着火和充分燃尽。
炉膛上部布置壁式辐射再热器和大结局的分隔屏、后屏过热器以增加过热器与再热器的辐射特性并起到切割螺旋烟气流，减少进入过热器炉宽方向炉温偏差的作用壁式再热器布置于前墙和两侧墙的水冷壁管处分隔屏沿炉宽方向共布置四大片。
采用电子计算机对每个水冷壁回路的各种工况作精确的水循环计算，确保水循环的可靠性膜式水冷壁为光管、内螺纹管加扁钢焊接形式。
锅炉构件采用全钢结构。
每台锅炉配有2台半模式、双密封、三分仓容克式空气预热器。
锅炉设有膨胀中心，可进行精确的热位移计算作为热补偿、间隙预留和管系应力分析的依据，并便于与设计院所负责的各管道的受力情况相配合。在锅炉本体的刚性梁，密封结构和 吊杆的设计中也有相应的考虑。膨胀中心的设置对保证过路的可靠运行和密封性有重要的作用。
锅炉刚性梁按炉膛最大瞬间压力8700Pa设计,此设计压力系统考虑紧急事故状态下主燃料切断，送风机所造成的炉膛内瞬间最大负压。此数据符合NFPA的规定炉膛水平刚性梁布置系统先按各部位烟侧设计压力，跨度和管子应力等条件通过应力分析以确定各处的最大许可间距而根据门孔布置等具体条件所确定的刚性梁实际间小于此处的最大许可间距，由于水平烟道部位的两侧墙跨度最大为减少挠度，每侧设有两根垂直型钢梁和水平性钢梁相连。
锅炉装有炉膛安全监测系统，用于锅炉的启停、事故解列以及各种辅机的切投。其主要功能是炉膛火焰检测和灭火保护，对防止炉膛爆炸和内爆有重要意义。
机组装有协调控制系统进行汽机和锅炉之间的协调控制。它将锅炉和汽机作为一个完整的系统进行锅炉自动调节。
机组的设计既可按定压，也可按滑亚运行。当锅炉低负荷运行及启动时推荐采用滑压运行以获得较高的经济性。

2.2炉膛简图

锅炉整体布局如图
如图，锅炉的布置形式为Π形布置，Π形布置的主要优点是：
(1)锅炉的排烟口在下部，因此，转动机械和笨重设备，如送风机，引风机及除尘器都可布置在地面上，可以减轻厂房和锅炉构架的负载。
(2)锅炉及厂房的高度较低。
(3)在水平烟道中可以采用支吊方式比较简单的悬吊式受热面。
(4)在尾部垂直下降烟道中，受热面易布置成逆流传热方式，强化对流传热。
(5)下降烟道中，气流向下流动，吹灰容易并有自吹灰作用。
(6)尾部受热面检修方便。
(7)锅炉本身以及锅炉和汽轮机之间的连接管道都不太长。
但这种型式也有缺点，主要有：
(1)占地面积大。
(2)由于有水平烟道，使锅炉构架复杂，而且不能充分利用其所有空间来布置受热面。
(3)由于有水平烟道，烟气在炉内流动要经两次转弯，造成烟气在炉内的速度场、温度场和飞灰浓度场不均匀，影响传热效果，并导致对流受热面局部飞灰磨损严重。
(4)由于锅炉高度低，又要求下降烟道与锅炉高度基本相近，因而在大容量锅炉中，在尾部烟道中要布置足够的尾部受热面便有困难，特别是在燃用低发热值的劣质煤时更显得突出。
2.3锅炉设计条件及性能参数
本锅炉为单炉膛四角布置的直流式摆动燃烧器，切向燃烧，制粉系统为一次风机正压直吹系统配3台双进双出磨煤机每角燃烧器分为6层一次风喷口燃烧器可上下摆动最大摆角为30°；2台磨煤机投运即可带BRL负荷（锅炉额定负荷）。

表2-1 锅炉参数
项目
单位
数值
锅炉额定蒸发量
t/h
1025
过热蒸汽压力
MPa
16.8
过热蒸汽温度
℃
540
再热蒸汽压力
MPa
3.36
再热蒸汽温度
℃
540
给水温度
℃
220
给水压力
MPa
18.5
冷空气温度
℃
20

2.4燃煤特性
燃料特性是锅炉设计、运行的基础。对于不同的燃料，要相应采取不同的燃烧设备和运行方式。对于锅炉设计及运行人员，掌握好锅炉燃料的性能、特点，才能保证锅炉运行的安全性和经济性。
元素分析测出煤的有机物由碳(C)、氢(H)、氧（O)、氮(N)、硫(S)五种元素组成。工业分析测出煤的组成成分为水分(M)、挥发分(V)、固定碳(FC)和灰分(A)。
关于灰熔点，目前都用试验方法来测定。我国及前苏联常用的是角锥法，即先将灰制成等边三角形的锥体，其底边长为7mm，高度为20mm，在半还原气氛下逐步加热，根据灰锥的变形情况得到关于灰银不同状态的三个温度：变形温度DT，软化温度ST和流动温度FT。变形温度DT是指灰锥顶点变圆或开始倾斜时的温度，软化温度ST是指灰锥顶部弯至锥底或萎缩成球形时的温度，流动温度FT是指灰锥体呈液态，并能沿平面流动时的温度。

这次设计我选择了黄陵地区一处矿区的煤质分析表进行分析计算，表如下所示：

表2-2煤质分析资料
序号
名 称
符号
单位
设计煤种
1
工业分析：

收到基全水份
Mar
％
24

空气干燥基水份
Mad
％
1.15

干燥无灰基挥发份
Vdaf
％
37

收到基灰份
Aar
％
21.3

收到基低位发热量
Q
kJ/kg
14580
2
元素分析：

收到基碳
Car
％
39.3

收到基氢
Har
％
2.7

收到基氧
Oar
％
11.2

收到基氮
Nar
％
0.6

收到基硫
Sar
％
0.9
3
灰变形温度
DT
℃
1150

灰软化温度
ST
℃
1300

灰流动温度
FT
℃
1360
2.5煤的元素分析数据校核和煤种判别
2.5.1元素校核
元素校核主要是运用汪军主编《工程燃烧学》知识，对表中煤的元素进行校核，然后在进行干燥无灰基元素成分、干燥基灰分、干燥无灰基低位发热量的计算[2]。

煤的元素各成分之和为100％的校核
Car+ Oar+ Sar+ Har+ Nar+ Aar=26.88+2.2+1.89+3.29+0.72+59.02=100
1. 干燥无灰基元素成分的计算
干燥无灰基元素成分与收到基元素成分之间的转换因子为
Kdaf=100/(100-Mar-Aar)=100/(100-24-21.3)=1.828
则干燥无灰基元素成分
Cdaf= KdafCar=71.846
Odaf=KdafOar=20.475
Hdaf= KdafHar=4.936
Ndaf= KdafNdaf=1.096
Sdaf= KdafSar=1.645
2. 干燥基灰分的计算
Ad=100 Aar/（100-Mar）=28.026
3. 干燥无灰基低位发热量的计算
Qnet,daf=（Qnet，ar+25Mar）*100/（100-Mar-Aar）=27751.371(KJ/Kg)
2.6煤种判别
2.6.1煤种判别
我国动力用煤的分类主要是根据煤的挥发分多少来确定，并参考煤的水分和灰分含量。一般把煤分成无烟煤、贫煤、烟煤和褐煤四类：
1．无烟煤
干燥无灰基挥发分含量不大于10％，含碳量高，含杂质少，发热量较高，约为21000～25000kJ／kg。由于挥发分含量少，故难以点燃。无烟煤贮存时不会自燃。
2．贫煤
贫煤实际上是烟煤中挥发分较少的一种煤，其挥发分含量为10％～20％，作为动力燃料，它的性质介于无烟煤和烟煤之间。
3．烟煤
其干燥无灰基挥发分含量约为20％～48％，水分和灰分含量较少，发热量较高。烟煤容易着火燃烧，对于挥发分含量超过25％的烟煤，要防止贮存时发生自燃，制粉系统要有防爆措施。
4．褐煤
挥发分含量大于40％，易于着火，水分和灰分含量较大，发热量较低，一般小于16750kJ／kg。对于褐煤应特别注意贮存中自燃问题。

所以由我国动力用煤的分类标准来看，由表2-2得：燃料特性Vdaf=37%＞20%，而且Qar,net=14580KJ/kg,属于易燃煤种燃烧温度较低。
对于本次设计来说可以得出：锅炉炉膛水冷壁、对流受热面不易超温。

2.6.2折算成分计算
燃料的成分以质量百分数表示，但有时对某些成分来说，用相对值(折算成分)来表示，更能反映出它对锅炉工作的影响。所谓折算成分，就是对应于每4190kJ／kg(100kcal／kg)发热量的成分：
折算水分Mc=4190×Mar／Qnet,p％ (2-1)
折算硫分Sc=4190×Sar／Qnet,p％ (2-2)
折算灰分Ac=4190×Aar／Qnet,p％ (2-3)
当燃料的折算成分Mc>8％，Sc>0.2％及Ac>4％时，分别称为高水分、高硫分及高灰分燃料。
各种煤的发热量差别很大，低的约为8370kJ／kg，高的可达29310kJ／kg或更高。为了便于计算和经济性比较，规定以低位发热量Qnet,p=29307.6kJ／kg(7000kcal／kg)的煤作为标准煤。电厂煤耗常用标准煤计算。

根据表2-2数据，结合上述公式可得：
Ac=6.1%
Mc=6.88%
Sc=0.26%
此煤属于高硫分、高灰分的煤。
2.7燃烧产物计算
2.7.1理论空气量及理论烟气容积

为了确定炉膛出口过量空气系数、烟道漏风系数、锅炉内各区域空气平衡值等下一步所需要物理量，进行理论空气量及理论烟气容积的计算。公式和原理均来自于汪军主编的《工程燃烧学》第三章内容。计算步骤如下：

理论空气量
0.0889（Car+0.375Sar）+0.265Har-0.0333Oar=3.866(Nm3/kg)
理论氮气容积

三原子气体RO2的容积

理论水蒸汽容积

理论烟气容积

根据该锅炉的燃料属烟煤，可按表选取炉膛出口过量空气系数为1.2
表2-3炉膛出口过量空气系数最佳值
燃料及燃烧设备型式
固态排渣炉
液态排渣炉
燃油及燃气炉
无烟煤、贫煤、低质烟煤
烟煤、褐煤
无烟煤、贫煤
烟煤、褐煤
平衡通风
微正压

1.20～1.25
1.15～1.20
1.20～1.25
1.15～1.20
1.08～1.10
1.0～1.07

取1.2，又按表2-4选取各受热面烟道的漏风系数，然后列出空气平衡表，
表2-4 烟道漏风系数△α
烟道名称
炉膛
对流受热面烟道
光管水冷壁
膜式水冷壁
凝渣管、屏式过热器
每级过热器、再热器、过渡区
省煤器的每段（或每级）
空气预热器
管式每段（或每级）
回转式
△α
0.10
0.05
0
0.03
0.02
0.03
0.1～0.2
空气平衡表如下所示：
表2-5空气平衡表

炉膛屏式过热器（l,ps）
二级过热器人口管组
二级过热器出口管组
再热器垂直管组
再热器过渡管组
一过出口管组
再热器水平管组（zr）
一过水平管组（yjgr）
省煤器（smq）
空预器（ky）
进口α’

1.15
1.18
1.21
1.24
1.24
1.27
1.27
1.30
1.32
漏风∆α
∆αl=0.05
∆αps=0
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.02
0.1
出口α”1
1.15
1.18
1.21
1.24
1.27
1.27
1.30
1.30
1.32
1.42
注：表2-1、表2-2、表2-3上所示数据是由所选书籍中进行选取的，选取数值比较保守，具有一定的可靠性。上述3个表由于三线图不太适合，所以我选择不进行图表变化。
2.8热平衡及燃料消耗量计算
锅炉机组的热平衡是指输入锅炉机组的热量与锅炉机组输出热量之间的平衡。输出热量包括用于生产蒸汽或热水的有效利用热量和生产过程中的各项热量损失。输入热量主要来源于燃料燃烧放出的热。由于各种原因，进入炉内的燃料不可能完全燃烧，而且燃烧放出的热量也不会全部被有效地利用，不可避免地要产生一部分热量损失。热平衡就表明了燃料的热量有多少被有效利用．有多少变成为热量损失，这些损失又表现在哪些方面。研究它的目的是为了找出引起热量损失的原因，提出减少损失的措施，有效地提高锅炉效率，以节约能源。
燃料的燃烧是燃料中可燃元素与氧气在高温条件下进行的高速放热化学反应过程。当燃烧产物中不含可燃物质时称为完全燃烧，否则称为不完全燃烧。
固体和液体燃料中的可燃元素为碳、氢和硫。为使它们燃烧，除需一定温度条件外，还必须供给一定的氧气。工业燃烧设备中，氧气来源于空气。固体或液体燃料燃烧所需的空气量，可根据燃料中各可燃元素的燃烧化学反应方程式，通过计算求得。
本节设计部分分为计算部分和图表部分。图表部分是计算部分的总结和扩展，查表和不需要计算的部分不会出现在计算部分，在图表部分进行总结。下面开始进行计算步骤，步骤如下所示：
在锅炉机组稳定的热力状态下，1kg燃料带入炉内的热量、锅炉有效利用热量和热损失间有如下关系：
Qr=Ql十Q2十Q3＋Q4十Q5＋Q6 kJ／kg， (2-4)
式中：Qr—1kg燃料带入锅炉的热量, kJ／kg；
Ql—锅炉有效利用热量， kJ／kg；
Q2—机械未完全燃烧热损失， kJ／kg；
Q3—化学未完全燃烧热损失， kJ／kg；
Q4—排烟热损失， kJ／kg；
Q5—锅炉散热损失， kJ／kg；
Q6—其它热损失， kJ／kg。
其中排烟热损失Q2为计算值，其余损失给定。排烟热损失Q2公式为：
Q4=（Ipy-αpy I0lk）(1- Q4／100) ／Qr*100
Ipy—排烟焓, kJ／kg
αpy—排烟飞灰系数
I0lk—理论冷空气焓 kJ／kg
运用上述数值计算保热系数、锅炉总热损失、锅炉热效率，计算公式在图表中给出。
上述计算完毕后，计算锅炉有效利用热、实际燃料消耗量、计算燃料消耗量，原理如下：

有效利用热量q1
（2-5）
式中，
B—燃料消耗量，kg/h；
Qgl—单位时间锅炉的总有效吸热量，kJ/h
（2-6）
由此可确定锅炉热效率ηgl(正平衡)为
（2-7）
而锅炉燃烧效率可写为
ηr=100—(q3十q4)％ （2-8）
实际燃料消耗量可改写为
（2-9）
在进行燃烧计算时，均假定为完全燃烧。但实际运行中存在q4损失。因此，送人锅炉的燃料中有一部分未燃烧而成为q4损失，实际送人的燃料只有(1-q4/100)kg参加燃烧，故燃烧所需空气容积和生成烟气容积均相应减少，在计算这些容积时，应对燃料量进行修正，即所谓计算燃料量Bj(kg/h)。
（2-10）
计算完毕，得出如下图表：
锅炉热平衡及燃料消耗量计算，如表2-6所示
表锅2-6炉热平衡及燃料消耗量计算
序号
名称
符号
单位
计算依据，公式和计算
数值
1
燃料带入热量
Qr
kJ／kg
≈Qar,net
14580
2
排烟温度

℃
先估后校
142.9
3
排烟焓
Ipy
KJ／kg
查焓温表用插值法求
1189.902
4
冷空气温度
0lk
℃
取用
20
5
理论冷空气焓
I0lk
KJ／kg
查焓温表
102.402
6
机械不完全
燃烧损失
q2
％
给定
0.5
7
化学不完全
燃烧损失
q3
％
给定
0
8
排烟热损失
q4
％

7.163
9
散热损失
q5
％
给定
0.4
10
其他热损失
q6
％
给定
0.04
lI
保热系数

％
1-q5/100
0.995
12
锅炉总热损失

％
q2+ q3+ q4+ q5+ q6
8.103
13
锅炉热效率

％
100-
91.897
14
过热蒸汽焓
i”zr
KJ／kg
查蒸汽特性表，p=3.36MPa,
3398.219
15
给水焓
p=18.5MPa,
t=220℃
i”zr／igs
KJ／kg
查表，
951.309
17
锅炉排污量
Dpw
t／h
D*Ppw
20190
16
再热蒸汽流量
Dgr
kg／h
已知
8200000
17
排烟处过量空气系数
λ
—
查表
1.37
18
锅炉有效利用热
Qgl
kJ／h

2905860000
19
实际燃料消耗量
B
kg／h

216878.534
20
计算燃料消耗量
Bj
kg／h
B(1-q4／100)
215794.142

2.9炉膛设计和热力计算
炉膛设计和热力计算有许多种方式方法，不同国家间标准各不相同，仅在中国地区就有十几种方法，在这次设计计算中有四种比较适合，分别为炉膛出口烟温法、煤粉炉炉内辐射传热法、前苏联1973年的计算方法、此次设计所用锅炉说明书的计算方法。由于着重考虑到运行的安全与稳定性，所以计算公式采用比较保守。对炉膛结构和热力方面进行计算，不计算结构中各部件的尺寸大小。
2.9.1炉膛结构设计
炉膛的主要热力特点是燃料的输入热量BcalQnet，ar，单位为kW。炉膛容积热强度qv，定义为
qv= BcalQnet，ar/Vf （2-11）
式中 Vf—炉膛容积，m3。
炉膛截面单位面积上的热功率称为炉膛的截面热强度qF
qF= BcalQnet，ar/A1 （2-12）
式中 A1—炉膛断面积，通常为燃烧器区域的炉膛断面积，m3。
冷灰斗是煤粉锅炉炉瞠下部由水冷壁所形成的斗状（倾角一般50°～55°）结构，用以冷却灰渣，使其呈固态排出的装置。所以要考虑冷灰斗的倾角、出口尺寸、容积。数值在图表中记录。
“π”型布置的锅炉燃烧室后墙上部，有一个向炉室内延伸的三角形突出物，该突出物称为折焰角，因其形状像的人鼻字，故又称鼻子。
折焰角的作用：
（1）增加水平烟道的长度。因折焰角是向炉内延伸的，相当于增加了水平烟道1个折焰角的长度。这样，就可在不增加锅炉深度的前提下，布置更多的过热器受热面。
（2）提高屏式过热器的传热效果。使烟气由没有折焰角时对屏式过热器的纵、横向冲刷，变为横向冲刷，提高了对流传热的效果。
（3）提高烟气在炉膛中的充满度使烟气沿燃烧室高度方向的分布趋向均匀。使炉膛前上部水冷壁与顶棚过热器的吸热量增加。
所以要考虑折焰角长度、上倾角、下倾角。
本次设计中设计炉膛出口烟气温度选取1100℃，设计炉膛出口烟气流速选取7 m/s。这二个数值对水冷壁选取结构具有决定性。结合实际情况来选取水冷壁结构。
炉膛的几个重要几何尺寸会在下表中给出。数值来自于本设计选取的锅炉的结构尺寸说明书。
此小节计算和论述完毕，整理如下表所示：

表2-7炉膛结构设计列表
序号
名称
符号
单位
计算依据，公式和计算
数值
1
炉膛容积热强度
qv
Mw/m3
BcalQnet，ar/Vf
0.15
2
炉膛容积
Vf
m3
按锅炉型号选取
9245.874
3
炉膛截面热强度
qF
w/m2
BcalQnet，ar/A1
4500000
4
炉膛截面积
A1
m2
A1=ab
278．843
5
炉膛截面宽深比
a/b

按a/b=1-1.2
1.081
6
炉膛宽度
a
m
选取a值使a/b=1-1.2
17．3
7
炉膛深度
b
m
Al/a
16
8
冷灰斗倾角

°
一般取500-550
50
9
冷灰斗出口尺寸
C
m
按0.8-1.6选取
1.4
10
冷灰斗容积
Vhd
m3
按炉膛图结构尺寸计算
929.4
11
折焰角长度
lz
m
按（1/3-1/4）b选取
4.500
12
折焰角上倾角

°

45
13
折焰角下倾角

°

30
14
炉膛出口烟气流速
wy
m/s
选取
7
15
炉膛出口烟气温度

选取
1100
16
炉膛出口高度
hck
m
Ach/a-3.1065
13．05
17
折焰角高度
hzy
m
几何尺寸
0.885
18
炉顶容积
Vd
m3
按结构尺寸计算
2417.2
19
炉膛主体高度
hlt
m
几何尺寸
23.229

2.9.2炉膛热力计算
设计锅炉水冷壁需要分析，了解锅炉受热面布置。充分了解水冷壁的结构设计与炉膛容积，炉膛火焰有效辐射厚度，炉膛水冷程度等因素的影响，通过多次的取值校正从而使设计符合设计要求。
本次设计只考虑四个方面：炉膛出口烟温、炉膛黑度、炉膛容积热强度、炉膛截面热强度。比较设计与实际的差别，初步确定水冷壁的管型和布置。
燃料在炉内燃烧时，放出大量热量，把燃烧产物加热到很高温度。在火焰中心区，温度高达1500℃～1600℃。当燃烧产物离开炉膛进入对流烟道时，其温度也在1000～1250℃之间。高温烟气以辐射方式将热量传递给受热面，并加热其内部工质。这一区域温度损失很大，所以考虑到经济性方面，水冷壁的管型会进行选择。减少这部分的热量损失，提高效率。
在炉内区域，炉内火焰介质的辐射能力取决于火焰温度与辐射介质的特点。炉内介质的二原子气体辐射和吸收能力微不足道，完全可以忽略不计。三原子气体在很广的温度范围内具有实际意义的辐射力（黑度）和吸收率。因此，炉内气体辐射介质只考虑三原子气体。同时还有考虑灰粒子辐射，焦炭粒子辐射等。根据经验公式算出炉膛有关黑度。
最后在进行炉膛容积热强度、炉膛截面热强度有关的计算，对比表表2-8中1和3的值，选用水冷壁布置情况。
本小节设计过程异常复杂，使用不同种算法计算，选取最佳方案。因此，计算和推导所用篇幅过大，为了使内容更为简便。故列表2-8进行总结，方便观看。表如下所示：

表2-8炉膛热力计算
序号
名称
符号
单位
计算依据，公式和计算
数值
1
热空气温度

℃
给定
350
2
理论热空气焓

kJ／kg
查焓温表
2991.428
3
炉膛漏风系数

—
由空气平衡表2.5知
0.05
4
制粉系统漏风系数

—
查漏风系数表
0.04
5
冷空气温度

℃
给定
20
6
理论冷空气焓

kJ／kg
查焓温表
102.403
7
理论燃烧温度

℃
根据Qf查焓温表
1981
8
炉膛出口烟温

℃
假定
1100
9
炉膛出口烟焓

kJ／kg